一种抗高温氧化铌基高温合金及其制备方法和应用与流程

本发明属于合金，具体涉及一种抗高温氧化铌基高温合金及其制备方法和应用。

背景技术：

1、金属铌具有高熔点、低蒸汽压、冷加工性能好、化学稳定性高、抗酸碱腐蚀能力强、热中子俘获截面小以及超导等一系列优异特性，是军工、航空航天、原子能等领域的重要功能材料。如武器推进器、航空航天发动机、核反应堆结构材料等。自20世纪50年代开始，各国相继开始对铌合金进行研究，以美国和苏联代表的航空航天强国针对不同的使用条件和环境相继研发出了20余种不同的铌合金。

2、目前使用的铌合金多为低强度和中等强度铌合金，为了满足发动机身部材料的提升换代，还需要对高温高强铌合金进行深入研究；此外，尽管铌合金在高熔点金属中属于密度最轻的金属，但与航天工程的发展相比，其密度还是显得略微偏重，所以铌合金的轻质化设计也是当前的一个重要方向。另外，目前铌合金高温强度已经到达瓶颈，进一步提升困难。

3、目前关于轻质铌基合金的研究已经取得了一定进展。在铌合金中添加大量ti、al等轻质元素和微量w、mo等强化元素，实现合金轻质化(＜7.8g/cm3)设计的同时，可保有较高的室温和高温强度与良好的室温塑性(晶粒细化后可以冷加工成形)等优良特性。然而，w、mo等元素会明显提高合金的密度，严重影响其工程化应用

4、最新研究发现，在nb-ni合金中存在一种fcc结构的纳米nb2ni相，其具有较高的热稳定性；因此，在nb合金中诱导纳米nb2ni相为提高nb基合金高温强度提供了一个可行路径。然而，仅添加ni元素合金的综合性能仍旧较差。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种抗高温氧化铌基高温合金及其制备方法和应用，具体包括以下内容：

2、一种抗高温氧化铌基高温合金，包括以下成分：ni 5at％～25at％、si 10at％～20at％、cr 15at％～53at％、ti 10at％～30at％、al 2at％～10at％、b 2at％～5at％、ge2at％～5at％，余量为nb及其它不可避免的杂质。si元素是一类良好的抗高温氧化元素，通过成分调控添加一定比例的si元素可实现合金抗高温氧化性能及力学性能的提高。本发明为了提高nb-si基高温合金的高温抗氧化性能，同时保证其良好的高低温力学性能，在nb-si二元合金中加入一定量的cr、ti、al、b、ge等元素。

3、优选的，包括以下成分：ni 7at％～23at％、si 12at％～20at％、cr 15at％～50at％、ti 12at％～28at％、al 3at％～8at％、b 2at％～5at％、ge 2at％～5at％，余量为nb及其它不可避免的杂质。

4、优选的，其微观结构由nbss相、nb5si3相、cr2nb相组成。

5、优选的，所述合金在1250℃氧化7h增重＜30mg/cm2。

6、一种所述的抗高温氧化铌基高温合金的制备方法，将原料在真空度为3×10-3pa～5×10-3pa条件下进行电子束熔炼，控制熔炼的功率为100-400kw。

7、本发明所述电子束熔炼方法包括以下步骤：

8、(1)按照以下成分和原子比配制合金所需原料：ni 7at％～23at％、si 12at％～20at％、cr 15at％～50at％、ti 12at％～28at％、al 3at％～8at％、b 2at％～5at％、ge2at％～5at％；

9、(2)将原料置于电子束炉冷床中，然后抽真空到真空度3×10-3pa～5×10-3pa；

10、(3)对电子束炉中的原料进行熔炼，功率为100-400kw，待原料完全熔融成液态后，不断向冷床炉中加入熔炼材料，冷却后形成合金铸锭。

11、本发明采用电子束熔炼技术(electron beam melting,ebm)制备新型铌基高温合金。ebm是在高真空条件下，电子枪灯丝通入电流后温度升高到一定程度逸出电子，逸出电子在轰击电压作用下加速轰击阴极表面，阴极受热后发射大量自由电子，阴极和阳极间高压电场对自由电子进行加速，并由磁透镜(一级、二级)完成聚焦，形成电子束流，然后电子束流在扫描线圈的作用下以特定轨迹运动并轰击材料表面，电子的动能转化为材料的内能，实现材料的升温、熔化。本发明所述电子束熔炼方法，结合本发明所述合金的成分和含量进行了参数设置，一方面可消除合金中的杂质；另一方面，可制备满足工业化使用需求的大尺寸nb-ni-si体系高温合金。

12、一种所述的抗高温氧化铌基高温合金在发动机中的应用。

13、本发明的有益效果：

14、(1)本发明公开的合金通过成分调控添加一定比例的si元素、以及一定量的cr、ni、ti等元素，合金表现出优异的抗高温氧化性能及力学性能。同时，通过对各成分的配比的调控，本发明所述耐高温氧化铌基高温合金由nbss相、nb5si3相、cr2nb相、nb2ni相组成，本发明所述合金在1250℃氧化7h增重＜30mg/cm2。

15、(2)本发明所述制备方法，将原料在真空度为3×10-3pa～5×10-3pa条件下进行电子束熔炼，控制熔炼的功率为100-400kw。通过电子束技术制备耐高温氧化新型铌基合金，弥补了传统熔炼方法制备的合金体积小、杂质多的问题，提高了合金综合性能。

技术特征：

1.一种抗高温氧化铌基高温合金，其特征在于，包括以下成分：ni 5at％～25at％、si10at％～20at％、cr 15at％～53at％、ti 10at％～30at％、al 2at％～10at％、b 2at％～5at％、ge 2at％～5at％，余量为nb及其它不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种抗高温氧化铌基高温合金，其特征在于，包括以下成分：ni 7at％～23at％、si 12at％～20at％、cr 15at％～50at％、ti 12at％～28at％、al3at％～8at％、b 2at％～5at％、ge 2at％～5at％，余量为nb及其它不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的一种抗高温氧化铌基高温合金，其特征在于，其微观结构由nbss相、nb5si3相、cr2nb相组成。

4.根据权利要求1所述的一种抗高温氧化铌基高温合金，其特征在于，在1250℃氧化7h增重＜30mg/cm2。

5.一种权利要求1-4任一项所述的抗高温氧化铌基高温合金的制备方法，其特征在于，将原料在真空度为3×10-3pa～5×10-3pa条件下进行电子束熔炼，控制熔炼的功率为100-400kw。

6.一种权利要求1-4任一项所述的抗高温氧化铌基高温合金在发动机中的应用。

技术总结
本发明属于合金技术领域，具体涉及一种抗高温氧化铌基高温合金及其制备方法和应用，所述合金包括以下成分：Ni 5at％～25at％、Si 10at％～20at％、Cr 15at％～53at％、Ti 10at％～30at％、Al 2at％～10at％、B 2at％～5at％、Ge 2at％～5at％，余量为Nb及其它不可避免的杂质。本发明通过成分调控添加一定比例的Si、Cr、Ni、Ti等元素，实现了合金抗高温氧化性能及力学性能的提高，同时，通过对各成分的配比调控，使所述合金由Nbss相、Nb<subgt;5</subgt;Si<subgt;3</subgt;相、Cr<subgt;2</subgt;Nb相、Nb<subgt;2</subgt;Ni相组成，所述合金在1250℃氧化7h增重＜30mg/cm<supgt;2</supgt;。本发明所述制备方法，通过电子束技术制备耐高温氧化新型铌基合金，弥补了传统熔炼方法制备的合金体积小、杂质多的问题，提高了合金综合性能。

技术研发人员：姜威,闫薛卉,吴帅帅,邱昊辰,郭胜利,朱宝宏
受保护的技术使用者：有研工程技术研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29